Chương 2: Tổng Quan về Lập Trình Hướng Đối Tượng (OOP)

1. Các Phương Pháp Lập Trình

1.1 Lập Trình Không Có Cấu Trúc

Đây là phương pháp lập trình xuất hiện sớm nhất trong lịch sử phát triển phần mềm, tiêu biểu với các ngôn ngữ như Assembly và Basic. Chương trình được viết theo kiểu tuần tự, sử dụng biến toàn cục và lệnh GOTO để điều khiển luồng thực thi.

Ví dụ minh họa (Basic):

10  k = 1
20  gosub 100
30  if y > 120 goto 60
40  k = k + 1
50  goto 20
60  print k, y
70  stop
100 y = 3*k*k + 7*k - 3
110 return

Câu hỏi: Nhược điểm của lập trình không có cấu trúc là gì?

1.2 Lập Trình Có Cấu Trúc

Còn gọi là lập trình thủ tục, phương pháp này tổ chức chương trình thành các chương trình con (hàm/thủ tục). Mỗi chương trình con chịu trách nhiệm xử lý một công việc cụ thể. Dữ liệu được trao đổi giữa các chương trình con thông qua đối số (tham số) và biến toàn cục (nhưng hạn chế hơn so với lập trình không có cấu trúc).

Ngôn ngữ tiêu biểu: Pascal, C.

Sử dụng các cấu trúc điều khiển rõ ràng: for, while, do...while, if...else, thay vì GOTO.

Ví dụ minh họa (C):

struct Date {
    int year, mon, day;
};

void print_date(Date d) {
    printf("%d / %d / %d\n", d.day, d.mon, d.year);
}

Ưu điểm:

  • Dễ đọc, dễ hiểu, dễ bảo trì hơn vì chương trình được module hóa.
  • Dễ dàng tạo ra các thư viện phần mềm dùng chung.
  • Có thể phân chia công việc cho nhiều lập trình viên cùng làm.

Nhược điểm:

1.3 Lập Trình Hướng Đối Tượng

OOP được xây dựng trên nền tảng của lập trình có cấu trúc, kết hợp với trừu tượng hóa dữ liệu. Thay vì thiết kế chương trình theo luồng chức năng (làm gì trước, làm gì sau), OOP thiết kế xoay quanh dữ liệu — cụ thể là các đối tượng trong bài toán.

Tư tưởng cốt lõi: lấy đối tượng làm nền tảng để xây dựng chương trình. Một chương trình OOP là một tập hợp các đối tượng có quan hệ và tương tác với nhau.

graph LR A[Lập trình không cấu trúc] --> B[Lập trình có cấu trúc] B --> C[Lập trình hướng đối tượng]

2. Một Số Khái Niệm Cơ Bản Trong OOP

2.1 Đối Tượng (Object)

Trong thế giới thực, đối tượng là một thực thể cụ thể: một người, một chiếc xe, một tài khoản ngân hàng, v.v. Mỗi đối tượng tồn tại trong một hệ thống và có ý nghĩa nhất định trong hệ thống đó.

Mỗi đối tượng bao gồm hai thành phần:

Thành phầnÝ nghĩaVí dụ (đối tượng “Người”)
Thuộc tínhDữ liệu mô tả trạng thái của đối tượngTên, tuổi, địa chỉ, màu mắt
Hành động (thao tác)Những việc đối tượng có thể thực hiệnĐi, nói, thở, ăn

2.2 Lớp (Class)

Khi nhiều đối tượng có chung đặc tính (cùng loại thuộc tính, cùng loại hành động), ta gom chúng lại thành một lớp. Lớp là bản thiết kế (blueprint), còn đối tượng là sản phẩm cụ thể được tạo ra từ bản thiết kế đó.

Một đối tượng cụ thể thuộc một lớp được gọi là một thể hiện (instance) của lớp đó.

Ví dụ:

Lớp: SinhVien
├── Thuộc tính: họTên, nămSinh, mãSố, điểmTB
└── Hành động: điHọc(), điThi(), phânLoại()

Thể hiện: (SinhVien)
├── họTên = "Nguyễn Văn A"
├── nămSinh = 1984
└── mãSố = "0610234T"

Phân biệt các thành phần của lớp:

  • Thuộc tính (Attribute): Một thành phần dữ liệu của đối tượng, có giá trị cụ thể tại mỗi thời điểm. Ví dụ: điểmTB = 9.2.
  • Thao tác (Operation): Thể hiện hành vi mà đối tượng có thể thực hiện, hoặc tương tác với đối tượng khác. Ví dụ: phânLoại().
  • Phương thức (Method): Cài đặt cụ thể của một thao tác trong một lớp cụ thể. Cùng một thao tác (ví dụ: vẽ()) có thể có cài đặt khác nhau ở lớp Hình tròn và lớp Hình chữ nhật — đó là đa hình (polymorphism).

2.3 Sơ Đồ Lớp và Sơ Đồ Thể Hiện

Trong UML, một lớp được biểu diễn bằng hình chữ nhật chia làm 3 phần:

+--------------------+
|    Tên lớp         |  <- Phần 1: Tên
+--------------------+
| - thuộc tính 1     |  <- Phần 2: Các thuộc tính
| - thuộc tính 2     |
+--------------------+
| + hànhĐộng1()      |  <- Phần 3: Các thao tác
| + hànhĐộng2()      |
+--------------------+

3. Các Đặc Điểm Quan Trọng Của OOP

graph TD OOP[OOP] --> A[Trừu tượng hóa - Abstraction] OOP --> B[Đóng gói - Encapsulation] OOP --> C[Kế thừa - Inheritance] OOP --> D[Đa hình - Polymorphism]

3.1 Trừu Tượng Hóa (Abstraction)

Trừu tượng hóa là quá trình nhìn nhận một tập đối tượng ở mức khái quát — chỉ quan tâm đến những đặc điểm cần thiết cho bài toán, bỏ qua những chi tiết không liên quan.

Ví dụ: Khi mô hình hóa “Tam giác” trong phần mềm vẽ hình:

  • Ta cần: cạnh1, cạnh2, cạnh3, màuNền, màuBiên, độĐậmBiên, và các thao tác vẽ(), tínhDiệnTích(), tínhChuVi().
  • Ta không cần: chất liệu tam giác làm bằng gì, ai đã vẽ nó, nó được in từ máy in nào.

3.2 Đóng Gói (Encapsulation)

Đóng gói có hai ý nghĩa liên quan mật thiết với nhau:

Ý nghĩa 1 — Gom nhóm: Gom dữ liệu và các hàm xử lý dữ liệu đó lại thành một đơn vị duy nhất (class), thay vì để chúng nằm rải rác tách biệt như trong lập trình có cấu trúc.

Ý nghĩa 2 — Che giấu thông tin (Information Hiding): Kiểm soát quyền truy cập vào dữ liệu nội bộ của đối tượng. Bên ngoài chỉ được tương tác qua các interface công khai (public methods), không được truy cập trực tiếp vào dữ liệu bên trong.

+----------------------------------+
|           Đối tượng              |
|  +----------------------------+  |
|  |  Private data (ẩn bên trong)|  |
|  |  - số dư tài khoản         |  |
|  |  - mã PIN                  |  |
|  +----------------------------+  |
|  Public methods (cổng ra vào)  |  |
|  + rútTiền(số_tiền)            |  |
|  + kiểmTraSốDư()               |  |
+----------------------------------+

Tại sao cần che giấu thông tin?

  • Bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu: không cho phép code bên ngoài vô tình hoặc cố ý sửa dữ liệu nội bộ theo cách sai.
  • Giảm phụ thuộc: khi thay đổi cách cài đặt bên trong, các phần khác của hệ thống không bị ảnh hưởng miễn là interface công khai giữ nguyên.
  • Ẩn chi tiết cài đặt: người dùng lớp chỉ cần biết làm được gì, không cần biết làm như thế nào.

3.3 Kế Thừa (Inheritance)

Kế thừa là cơ chế cho phép một lớp D (lớp con/lớp dẫn xuất) tự động có được tất cả thuộc tính và thao tác của lớp C (lớp cha/lớp cơ sở), như thể chúng đã được định nghĩa trực tiếp trong D.

graph TD Shape[Shape\n- color\n+ draw] --> Circle[Circle\n- radius\n+ draw] Shape --> Rectangle[Rectangle\n- width\n- length\n+ draw]

Kế thừa cho phép biểu diễn hai loại quan hệ:

  • Đặc biệt hóa (“là một”): Circle là một Shape. SinhVienGiỏi là một SinhVien.
  • Khái quát hóa: Ngược lại — Shape là khái quát hóa của Circle và Rectangle.

3.4 Đa Hình (Polymorphism)

Đa hình là cơ chế cho phép cùng một tên thao tác có thể được định nghĩa ở nhiều lớp khác nhau, với những cài đặt khác nhau phù hợp với từng lớp.

Ví dụ: Tất cả các lớp Dog, Duck, Cat đều có phương thức speak(), nhưng:

dog.speak()  -> "Woof!"
duck.speak() -> "Quack!"
cat.speak()  -> "Meow!"

Khi ta gọi animal.speak() mà không biết animal thuộc lớp cụ thể nào, chương trình sẽ tự động gọi đúng phiên bản speak() tương ứng với kiểu thực tế của đối tượng — đây là đa hình runtime.

4. Phân Tích, Thiết Kế và Lập Trình Hướng Đối Tượng

Mục Tiêu Thiết Kế Phần Mềm

Trước khi đi vào quy trình, cần hiểu rõ phần mềm tốt cần đạt được những mục tiêu sau:

Mục tiêuÝ nghĩa
Tính tái sử dụng (Reusability)Các thành phần được thiết kế đủ tổng quát để dùng lại trong nhiều dự án khác nhau
Tính mở rộng (Extensibility)Có thể thêm tính năng mới (plug-in, add-on) mà không cần viết lại từ đầu
Tính mềm dẻo (Flexibility)Thay đổi một phần không kéo theo thay đổi dây chuyền toàn bộ hệ thống

4.1 Phân Tích Hướng Đối Tượng (OOA)

OOA là bước đầu tiên — hiểu bài toán và xác định những gì cần xây dựng, chưa quan tâm đến xây dựng như thế nào.

graph TD B1[B1: Định nghĩa bài toán] --> B2[B2: Xây dựng đặc tả yêu cầu] B2 --> B3[B3: Xác định đối tượng và thuộc tính] B3 --> B4[B4: Xác định hành vi của đối tượng] B4 --> B5[B5: Xác định mối quan hệ giữa các đối tượng]

Chi tiết từng bước:

4.2 Thiết Kế Hướng Đối Tượng (OOD)

OOD xác định cách thức xây dựng hệ thống, sử dụng cách tiếp cận Bottom-Up.

B1: Xác định các đối tượng trong không gian lời giải (solution space) từ các đối tượng trong không gian bài toán (problem space).

B2: Xây dựng đặc tả cho các lớp và mối quan hệ giữa chúng:

Loại quan hệMô tả
Kế thừaLớp con sử dụng lại thuộc tính/hàm của lớp cha
Thành phần (Composition)Đối tượng của lớp này là phần tử của lớp khác (ví dụ: Xe chứa Động cơ)
Sử dụng (Dependency)Lớp này đọc/xử lý đối tượng của lớp kia

B3: Xây dựng cấu trúc phân cấp các lớp theo nguyên lý tổng quát hóa, tối đa hóa tái sử dụng.

B4: Thiết kế từng lớp — bổ sung các hàm cần thiết:

  • Hàm quản lý lớp: Constructor/Destructor — tạo và hủy đối tượng.
  • Hàm cài đặt: Các phép toán nghiệp vụ trên dữ liệu của lớp.
  • Hàm truy cập: Getter/Setter — đọc và thay đổi dữ liệu nội bộ theo cách có kiểm soát.
  • Hàm xử lý lỗi: Xử lý các tình huống ngoại lệ khi thao tác với đối tượng.

B5: Thiết kế chi tiết từng hàm — sử dụng kỹ thuật phân rã Top-Down và thiết kế có cấu trúc. Mỗi hàm được tổ hợp từ ba cấu trúc cơ bản: tuần tự, tuyển chọn (if/switch), và vòng lặp.

B6: Thiết kế chương trình chính với các nhiệm vụ:

  • Nhập dữ liệu từ người dùng.
  • Tạo các đối tượng theo định nghĩa các lớp.
  • Tổ chức trao đổi thông tin giữa các đối tượng.
  • Lưu trữ hoặc hiển thị kết quả.

Nguyên Tắc Thiết Kế SOLID

4.3 Lập Trình Hướng Đối Tượng (OOP)

Đây là bước hiện thực hóa thiết kế thành code. Các đặc điểm của lập trình OOP:

  • Chương trình được tổ chức thành các lớp — mỗi lớp bao gồm dữ liệu và phương thức xử lý dữ liệu đó.
  • Dữ liệu được bao bọc và che giấu, không cho phép truy cập tự do từ bên ngoài.
  • Các đối tượng tương tác với nhau thông qua việc gọi phương thức.
  • Dễ dàng bổ sung dữ liệu và phương thức mới khi cần.
  • Thiết kế theo cách tiếp cận Bottom-Up: xây dựng các lớp cơ bản trước, sau đó kết hợp lại để tạo hệ thống hoàn chỉnh.

5. Ưu Điểm Tổng Hợp của OOP

Đặc điểm OOPLợi ích thực tiễn
Kế thừaLoại bỏ code lặp lại; mở rộng khả năng tái sử dụng các lớp đã xây dựng
Đóng gói + Che giấu thông tinBảo vệ dữ liệu; thay đổi nội bộ không ảnh hưởng đến phần còn lại
Trừu tượng hóaMô phỏng thế giới thực tốt hơn; ánh xạ tự nhiên từ bài toán sang code
Đa hìnhViết code tổng quát hơn; dễ mở rộng mà không cần sửa code cũ
Tổng thểHệ thống dễ mở rộng, nâng cấp thành hệ thống lớn hơn

6. Bài Tập

Bài 1 — Phân số cơ bản

Viết chương trình nhập vào 2 phân số, tính tổng, hiệu, tích, thương và xuất kết quả ra màn hình.

Gợi ý thiết kế lớp:

Class PhanSo
├── Thuộc tính: tuSo (int), mauSo (int)
├── Constructor: PhanSo(tu, mau) — kiểm tra mauSo != 0
├── rútGọn(): rút gọn phân số về dạng tối giản dùng GCD
├── cộng(PhanSo other): trả về PhanSo mới = tổng
├── trừ(PhanSo other): trả về PhanSo mới = hiệu
├── nhân(PhanSo other): trả về PhanSo mới = tích
├── chia(PhanSo other): trả về PhanSo mới = thương
└── inRa(): in dạng "tu/mau"
Bài 2 — Dãy phân số

Viết chương trình cho phép nhập một dãy phân số, tính tổng các phân số và tìm phân số lớn nhất.

Gợi ý: Tái sử dụng lớp PhanSo từ bài 1. Thêm phương thức soSánh(PhanSo other) để so sánh hai phân số bằng cách quy đồng mẫu.

Bài 3 — Ma trận

Viết chương trình nhập vào 2 ma trận, tính tổng, hiệu, tích hai ma trận và in kết quả ra màn hình.

Gợi ý thiết kế lớp:

Class MaTran
├── Thuộc tính: data (mảng 2 chiều), soHang (int), soCot (int)
├── nhậpDữLiệu()
├── cộng(MaTran other): kiểm tra cùng kích thước
├── trừ(MaTran other): kiểm tra cùng kích thước
├── nhân(MaTran other): kiểm tra số cột A = số hàng B
└── inRa()
Bài 4 — Quản lý học sinh

Viết chương trình cho phép người dùng nhập thông tin của n học sinh (mã học sinh, họ tên, giới tính, điểm Toán, điểm Lý, điểm Hóa), tính điểm trung bình và xuất thông tin chi tiết ra màn hình.

Gợi ý thiết kế lớp:

Class HocSinh
├── Thuộc tính: maHS, hoTen, gioiTinh, diemToan, diemLy, diemHoa
├── tínhĐiểmTB(): (Toán + Lý + Hóa) / 3.0
├── xếpLoại(): dựa trên điểm TB
└── inThôngTin(): in đầy đủ thông tin + điểm TB + xếp loại